机械工程学报

作者：郭晓强, 吕俊霖, 梁豪, 李潇, 胡宁, 柳军, 郭守金

单位：1. 河北工业大学机械工程学院 天津 300401;2. 西南石油大学机电工程学院 成都 610500;3. 中海石油(中国)有限公司海南分公司 海口 570100;4. 江西铜业集团股份有限公司贵溪冶炼厂 鹰潭 335400

关键词：管柱力学,深海采矿,多场耦合,多重非线性振动模型,疲劳失效机理；

基金：中国科学院天然气水合物重点实验室(中国科学院广州能源研究所)(E229kf15)、国家自然科学基金(52105125)、中央引导地方科技发展资金(236Z4103G)、河北省自然科学基金面上(E2023202060)和四川省自然科学基金(2022NSFSC19222,2022YFQ0034)资助项目。

针对深海采矿水力提升硬管流致振动失效问题，采用有限元法和Hamilton变分原理，建立多场耦合作用下水力提升管多重非线性振动模型，不仅考虑海洋流场、立管应力场及内部流场之间的多场耦合效应，还考虑立管纵横向耦合非线性、海流涡激非线性以及内部流场的流致非线性因素，并实现数值求解。将理论模型计算结果与模拟试验测试结果对比，验证模型的正确性。同时，采用Corten-Dolan累积损伤理论，建立考虑载荷相互作用效应和剩余强度衰减退化的提升管非线性疲劳损伤预测方法。在此基础上，探究外流速、中间仓质量和内流速对提升管疲劳寿命的影响规律，研究发现，随着外流速的增加，提升管的疲劳寿命呈现先减小后增大的趋势，出现疲劳寿命最大的外流速。然而，现实中外流速无法控制，因此，根据一定的外流速，通过建立的分析方法来评估最佳结构参数设置。随着中间仓质量的增加，提升管的疲劳寿命呈现先减小后增大的趋势，现场存在一个最佳中间仓质量配置参数，该参数与提升管结构和内外流速有关，可通过所建立的疲劳预测方法确定。随着内部提升速度的增加，提升管的疲劳寿命呈现先增大后减小的趋势，最优的提升速度为4 m/s。研究成果为深海采矿作业参数的设计奠定分析工具。

来源：2025年第14期

《机械工程学报》期刊编辑部

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